Сокращенно оперативную память компьютера называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM (random access memory — память с произвольным доступом).
Назначение ОЗУ
- Хранение данных и команд для дальнейшей их передачи процессору для обработки. Информация может поступать из оперативной памяти не сразу на обработку процессору, а в более быструю, чем ОЗУ, кэш-память процессора.
- Хранение результатов вычислений, произведенных процессором.
- Считывание (или запись) содержимого ячеек.
Особенности работы ОЗУ
Оперативная память может сохранять данные лишь при включенном компьютере. Поэтому при его выключении обрабатываемые данные следует сохранять на жестком диске или другом носителе информации. При запуске программ информация поступает в ОЗУ, например, с жесткого диска компьютера. Пока идет работа с программой она присутствуют в оперативной памяти (обычно). Как только работа с ней закончена, данные перезаписываются на жесткий диск. Другими словами, потоки информации в оперативной памяти очень динамичны.
ОЗУ представляет собой запоминающее устройство с произвольным доступом. Это означает, что прочитать/записать данные можно из любой ячейки ОЗУ в любой момент времени. Для сравнения, например, магнитная лента является запоминающим устройством с последовательным доступом.
Логическое устройство оперативной памяти
Оперативная память состоит их ячеек, каждая из которых имеет свой собственный адрес. Все ячейки содержат одинаковое число бит. Соседние ячейки имеют последовательные адреса. Адреса памяти также как и данные выражаются в двоичных числах.
Обычно одна ячейка содержит 1 байт информации (8 бит, то же самое, что 8 разрядов) и является минимальной единицей информации, к которой возможно обращение. Однако многие команды работают с так называемыми словами. Слово представляет собой область памяти, состоящую из 4 или 8 байт (возможны другие варианты).
|
|
Типы оперативной памяти
Принято выделять два вида оперативной памяти: статическую (SRAM) и динамическую (DRAM). SRAM используется в качестве кэш-памяти процессора, а DRAM - непосредственно в роли оперативной памяти компьютера.
SRAM состоит из триггеров. Триггеры могут находиться лишь в двух состояниях: «включен» или «выключен» (хранение бита). Триггер не хранит заряд, поэтому переключение между состояниями происходит очень быстро. Однако триггеры требуют более сложную технологию производства. Это отражается на цене устройства. Также триггер, состоящий из группы транзисторов и связей между ними, занимает много места (на микроуровне), в результате SRAM получается достаточно большим устройством.
В DRAM нет триггеров, а бит сохраняется за счет использования одного транзистора и одного конденсатора. Получается дешевле и компактней. Однако конденсаторы хранят заряд, а процесс зарядки-разрядки более длительный, чем переключение триггера. Как следствие, DRAM работает медленнее. Второй минус – это самопроизвольная разрядка конденсаторов. Для поддержания заряда его регенерируют через определенные промежутки времени, на что тратится дополнительное время.
Ж есткий диск
Накопитель на жёстких магнитных дисках или НЖМД - запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.
|
|
Жесткий диск представляет собой герметичную железную коробку, внутри которой находится один или несколько магнитных дисков вместе с блоком головок чтения/записи и электродвигателем. При включении компьютера электродвигатель раскручивает магнитный диск до высокой скорости (несколько тысяч оборотов в минуту) и диск продолжает вращаться все время, пока компьютер включен. Над диском находятся специальные магнитные головки, которые записывают и считывают информацию так же, как и на гибких дисках. Головки парят над диском вследствие его высокой скорости вращения. Если бы головки касались диска, то из-за силы трения диск быстро вышел бы из строя.
Информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома - магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров, а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.
Ж есткий диск позволяет хранить большие объемы информации. Емкость жестких дисков современных компьютеров может составлять терабайты.
|
|
Первый жесткий диск был создан фирмой IBM в 1973 году. Он позволял хранить до 16 Мбайт информации. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров, разбитых на 30 секторов, то он обозначался как 30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, этот диск получил прозвище "винчестер".
При работе с дисками используются следующие понятия:
Дорожка – концентрическая окружность на магнитном диске, которая является основой для записи информации.
Цилиндр – это совокупность магнитных дорожек, расположенных друг над другом на всех рабочих поверхностях дисков винчестера.
Сектор – участок магнитной дорожки, который является одной из основных единиц записи информации. Каждый сектор имеет свой собственный номер.
Кластер - минимальный элемент магнитного диска, которым оперирует операционная система при работе с дисками. Каждый кластер состоит из нескольких секторов.
Любой магнитный диск имеет логическую структуру, которая включает в себя следующие элементы:
- загрузочный сектор;
- таблицы размещения файлов;
- область данных.
Загрузочный сектор (Boot Record) занимает сектор с номером 0. В нем содержится небольшая программа IPL2 (Initial Program Loading 2), с помощью которой компьютер определяет возможность загрузить операционную систему с данного диска.
Особенностью винчестера является наличие помимо загрузочного сектора еще одной области - главного загрузочного сектора (Master Boot Record). Дело в том, что единый жесткий диск может быть разбит на несколько логических дисков. Для главного загрузочного сектора на жестком диске всегда выделяется физический сектор 1. Этот сектор содержит программу IPL1 (Initial Program Loading 1), которая при своем выполнении определяет загрузочный диск.
Таблица размещения файлов используется для хранения сведений о размещении файлов на диске. Обычно используются две копии таблиц, которые следует одна за другой, и содержимое их полностью совпадает. Это делается на тот случай, если на диске произошли какие либо сбои, то диск всегда можно "отремонтировать", используя вторую копию таблицы. Если будут испорчены обе копии, то вся информация на диске будет потеряна.
Область данных (Data Area) занимает основную часть дискового пространства и служит непосредственно для хранения данных.
Файловые системы
Файловая система FAT
Аббревиатура FAT (File Allocation Table) означает «таблица размещения файлов». Этот термин относится к линейной табличной структуре со сведениями о файлах – именами файлов, их атрибутами и другими данными, определяющими местоположение файлов или их фрагментов в среде FAТ. Элемент FAТ определяет фактическую область диска, в котором хранится начало физического файла. В файловой системе FAT логическое дисковое пространство любого логического диска состоит из двух областей:
- системная область – создается при форматировании диска и обновляется при манипулировании файловой структурой;
- область данных – содержит файлы и каталоги, подчиненные корневому каталогу, доступна через пользовательский интерфейс.
Системная область состоит из следующих компонентов:
- загрузочной записи;
- зарезервированных секторов;
- таблицы размещения файлов (FAT);
- корневого каталога.
Таблица размещения файлов представляет собой карту (образ) области данных, в которой описывается состояние каждого участка области данных. Область данных разбивается на кластеры. Один или несколько смежных секторов в логическом дисковом адресном пространстве (только в области данных) объединяются в единый дисковый блок – кластер.
Кластер – минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу или некорневому каталогу. Например, в FAT16 размер кластера составляет 32 кбайт. Файл или каталог занимает целое число кластеров. Последний кластер при этом может быть задействован не полностью, что приведет к заметной потере дискового пространства при большом размере кластера.
В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (некорневому каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кластера в системе управления файлами FAT16 используется 16-битовое слово, следовательно, можно хранить информацию максимум о 65536 кластерах. Так как FAT используется при доступе к диску очень интенсивно, она загружается в оперативную память и находится там максимально долго.
Корневой каталог отличается от обычного каталога тем, что он размещается в фиксированном месте логического диска и имеет фиксированное число элементов. Структура системы файлов является иерархической. Файлам присваиваются первые доступные адреса кластеров в томе. Номер начального кластера файла представляет собой адрес первого кластера, занятого файлом, в таблице размещения файлов.
Файлы на дисках имеют 4 атрибута, которые могут сбрасываться и устанавливаться пользователем: Archive (архивный), System (системный), Hidden (скрытый) и Read-only (только чтение).
Файловая система FAT32 обеспечивает оптимальный доступ к жестким дискам, CD-ROM и сетевым ресурсам, повышая скорость и производительность всех операций ввода/вывода. FAТ32 представляет собой усовершенствованную версию FAT, предназначенную для использования на томах, объем которых превышает 2 Гбайта.
Размер кластера в FAТ32 равен 4 кбайт. FAТ32 является полностью независимой 32-разрядной файловой системой и содержит многочисленные усовершенствования и дополнения по сравнению с FAT16. Принципиальное отличие FAТ32 заключается в более эффективном использовании дискового пространства за счет использования кластеров меньшего размера, что приводит к экономии дискового пространства. FAТ32 может перемещать корневой каталог и использовать резервную копию FAT вместо стандартной.
Расширенная загрузочная запись FAТ32 позволяет создавать копии критических структур данных, что повышает устойчивость дисков к нарушениям структуры FAT по сравнению с предыдущими версиями. Корневой каталог представляет собой обычную цепочку кластеров, поэтому может находиться в произвольном месте диска, что снимает ограничение на размер корневого каталога.
Файловая система FAT не обеспечивает функций защиты данных и автоматического восстановления.
Файловая система NTFS
Аббревиатура NTFS (New Technology File System) означает новая технология файловой системы. NTFS является наиболее надежной системой специально разработанной для Windows NT и усовершенствованной в более поздних версиях Windows. Она обладает характеристиками защищенности, поддерживая контроль доступа к данным и привилегии владельца, играющие важную роль в обеспечении целостности конфиденциальных данных. Папки и файлы NTFS могут иметь назначенные им права доступа вне зависимости от того, являются они общими или нет. Если файл будет скопирован из раздела или тома NTFS в раздел или на том FAT, все права доступа и другие уникальные атрибуты, присущие NTFS, будут утрачены.
Одно из важнейших свойств NTFS – самовосстановление. При неожиданном сбое системы информация о структуре папок и файлов на томе FAT может быть утеряна. NTFS протоколирует все вносимые изменения, что позволяет избежать разрушения данных о структуре тома (в некоторых случаях данные файлов могут быть утеряны).
Способность самовосстановления и поддержка целостности реализуется за счет использования протокола выполняемых действий и ряда других механизмов. NTFS рассматривает каждую операцию, модифицирующую системные файлы на NTFS -томах, как транзакцию [1] и сохраняет информацию о такой транзакции в протоколе. Начатая транзакция может быть либо полностью завершена (commit), либо откатывается (rollback). В последнем случае NTFS -том возвращается в состояние, предшествующее началу транзакции. Для того чтобы управлять транзакциями, NTFS записывает все операции, входящие в транзакцию, в файл протокола, перед тем как осуществить запись на диск. После того как транзакция завершена, все операции выполняются. Таким образом, под управлением NTFS не может быть незавершенных операций. В случае дисковых сбоев незавершенные операции отменяются.
Под управлением NTFS также выполняются операции, позволяющие определять дефектные кластеры и отводить новые кластеры для файловых операций. Этот механизм называется cluster remapping. NTFS, по сравнению с FAT, поддерживает ряд дополнительных возможностей, основные из них:
- защита файлов и каталогов;
- сжатие файлов;
- поддержка многопоточных файлов;
- отслеживание связей;
- дисковые квоты;
- шифрование;
- точки повторной обработки;
- точки соединения;
- теневые копии.
Защита файлов и папок. Структурой NTFS предусмотрено хранение для каждого файла и каждой папки специального блока безопасности, который содержит следующую информацию:
- идентификатор (имя) пользователя, создавшего файл;
- список контроля доступа, в котором перечислены разрешения доступа к файлу или папке для пользователей и групп;
- системный список контроля доступа, в котором перечислено, какие действия (например, чтение, запись и т.п.) для каких пользователей и групп необходимо фиксировать в журнале аудита.
Это позволяет операционной системе: обеспечивать разграничение доступа к файлам и папкам и фиксировать действия, выполняемые пользователями над объектами. Поскольку на томах FAT подобная информация не хранится, то защита файлов и папок на них не осуществляется.
Сжатие файлов и каталогов. NTFS обеспечивает динамическое сжатие файлов и каталогов. Сжатие является атрибутом файла или каталога, который можно снять или установить. Сжатие возможно только на разделах, размер блока которых не превышает 4096 байтов. Если каталог имеет атрибут сжатый (compressed), все файлы, копируемые в него, тоже получат этот атрибут. Производительность компьютера при использовании сжатых файлов возрастает до 50% в зависимости от типа хранимых данных. Такой результат достигается за счет повышения загрузки процессора в 3-5 раз. Однако на больших (более 4Гб) разделах и на отказоустойчивых томах производительность заметно снижается. Поэтому рекомендуется использовать функцию сжатия на небольших томах в компьютерах с быстрыми процессорами или в многопроцессорных системах.
Многопоточные файлы. Например, нужно иметь две версии текста контракта: одну на русском, другую на языке, приемлемом для фирмы. Можно создать несколько разных версий файлов и пересылать их вместе, но удобнее использовать специальную версию текстового процессора, в меню которого можно указать желаемый язык документа, и он будет извлечен из одного общего файла. Для реализации такой функциональности применяются именованные потоки NTFS. При создании нового файла (например, текстовым редактором), данные по умолчанию заносятся в неименованный поток файла.
Однако у того же файла могут быть и именованные потоки, которые записываются следующим образом: файл.txt: первый поток; файл.txt: второй поток; файл.txt: третий поток. В каждый из этих потоков заносится своя информация. Именованные потоки используются только на NTFS. При копировании многопоточного файла на диск, отформатированный под FAT, операционная система предупредит о потере данных; при копировании посредством командной строки скопирован будет только неименованный поток и система не предупредит о потере данных.
Квоты дискового пространства. В случае одновременной работы нескольких пользователей возникают ситуации учета дискового пространства, занятого их файлами. Ситуация разрешается с помощью введения квот на дисковое пространство, доступное для работы каждому пользователю. Администратор может квотировать дисковое пространство по каждому тому и для каждого пользователя. Windows учитывает пространство, занимаемое файлами, владельцем которых является контролируемый пользователь: если пользователь владеет файлом, размер последнего добавляется к общей сумме занимаемого пользователем дискового пространства. Поскольку квотирование выполняется по каждому тому, то не имеет значение, находятся ли тома на одном физическом диске или на различных устройствах.
После установки квот дискового пространства пользователь может хранить на томе ограниченный объем данных, в то время как на этом томе может оставаться свободное пространство. Если пользователь превышает выданную ему квоту, в журнал событий вносится соответствующая запись. Затем, в зависимости от конфигурации системы, пользователь либо сможет записать информацию на том (более мягкий режим), либо ему будет отказано в записи из-за отсутствия свободного пространства. Устанавливать и просматривать квоты на диске можно только в разделе с NTFS 5.0 и при наличии необходимых полномочий (задаваемых с помощью локальных или доменных групповых политик) у пользователя, устанавливающего квоты.
- Шифрование данных. Шифрование обеспечивается дополнительным компонентом операционной системы «Шифрованной файловой системой » (Encrypted File System, EFS), который представляет собой серьезный механизмом защиты данных, поскольку зашифрованные данные могут быть доступны только пользователю, имеющему специальный ключ для расшифровки.
Теневые копии. Служба теневого копирования реализуется только на томах NTFS -формата и позволяет создавать копии томов по расписанию, она создает мгновенные снимки состояния томов, обеспечивая архивацию файлов. Благодаря такой технологии пользователь быстро восстанавливать удаленные файлы или старые версии файлов.
Файловая система DFS
DFS (Distributed File System) – распределенная файловая система, которая позволяет объединить серверы и предоставляемые в общее пользование ресурсы в более простое пространство имен. Файловые системы обеспечивают однородный поименованный доступ к набору секторов на дисках, а DFS – однородный поименованный доступ к набору серверов, совместно используемых ресурсов и файлов, организуя их в виде иерархической структуры. В свою очередь новый том DFS может быть иерархично подключен к другим совместно используемым ресурсам Windows. DFS позволяет объединить физические устройства хранения в логические элементы, что делает физическое расположение данных прозрачным как для пользователей, так и для приложений.
Вычислительные сети.
Вычислительная сеть - это совокупность компьютеров, которые могут обмениваться между собой информацией.
Компоненты сети:
- компьютеры;
- линии связи (коммуникационное оборудование) - техника, которая реализует возможность обмена информацией (провода, устройства, иногда - компьютер, выполняющий функцию коммуникационного оборудования);
- операционная система, в особенности, модули ОС, реализующие сетевое взаимодействие;
- распределенные приложения - программы, которые работают одновременно на разных компьютерах, например, WWW.
Сервер - компьютер или программа, предоставляющая некоторые услуги.
Выделенный сервер - это компьютер, служащий только для обслуживания клиентских машин. Доступ к нему обычно получают администраторы системы для выполнения задач управления, мониторинга и поддержки работоспособности. Часто они выполняют только какую-то одну задачу.
Клиент - это компьютер или программа, запрашивающая услуги.
Сетевые протоколы
Протокол определяет:
- формат сообщений;
- очередность сообщений;
- действия, которые необходимо выполнять при получении, приеме сообщений или при наступлении иных событий.
Пропускная способность канала связи - наибольшая скорость передачи информации по каналу связи. Измеряется числом передаваемых двоичных символов в 1 с. Скорость передачи зависит от физических свойств канала связи, статистических свойств помех, способа передачи, приема сигналов и др..
Пример:
EDGE - до 474 кбит/с
ADSL - 8 Mbit/s
FastEthernet - 100 Mbit/s
WiFi 802.11g - 54 Mbit/s
Gigabit Ethernet - 1000 Mbit/s
Интранет (англ. Intranet) - в отличие от сети Интернет, это внутренняя частная ceть организации. Как правило, Интранет - это Интернет в миниатюре, который построен на использовании протокола IP для обмена и совместного использования некоторой части информации внутри этой организации. Intranet допускает использование публичных каналов связи, входящих в Internet, (VPN - Virtual Private Network), но при этом обеспечивается защита передаваемых данных и меры по пресечению проникновения извне на корпоративные узлы.
Классификация компьютерных сетей по территории:
- Local Area Network (LAN) - сети одной квартиры, дома, организации.
- Metropolian Area Network (MAN), городские - высокоскоростные каналы связи в пределах большого города.
- Региональные - объединяют компьютеры географической области.
- Wide Area Network (WAN), глобальные.
Классификация компьютерных сетей по топологии:
1. Общая шина
2. Кольцо
3. «Звезда»
Классификация по типу среды передачи
- Проводные:
- витая пара;
- коаксильный кабель;
- оптоволокно.
- Беспроводные
- радиосвязь (WiFi, WiMAX);
- инфракрасная связь;
- СВЧ-связь (Bluetooth)
Классификация по административным взаимоотношениям:
- одноранговая сеть;
- иерархическая или централизованная (модель «клиент-сервер»)
Одноранговая сеть - это сеть равноправных компьютеров (рабочих станций), каждый из которых имеет уникальное имя и пароль для входа в компьютер. Одноранговая сеть не имеют центрального ПК.
В одноранговой сети каждая рабочая станция может разделить часть ресурсов, а может вообще не предоставлять никаких ресурсов другим станциям. Например, некоторые аппаратные средства (сканеры, принтеры винчестеры, оптические приводы и др.), подключенные к отдельным ПК, используются совместно на всех рабочих местах.
Каждый пользователь одноранговой сети является администратором на своем ПК. Одноранговые сети применяются для объединения в сеть небольшого числа компьютеров - не более 10-15. Одноранговые сети могут быть организованы, например, с помощью операционной системы Windows XP, Windows 7, Windows 8 и другими ОС.
Иерархические (многоуровневые) локальные сети c моделью «клиент-сервер»
Это локальные сети, в которых имеется один или несколько специальных компьютеров - серверов, на которых хранится информация, совместно используемая различными пользователями.
Выделенные серверы обычно представляют собой высокопроизводительные компьютеры с винчестерами большой емкости. На сервере устанавливается сетевая операционная система, к нему подключаются все внешние устройства (принтеры, сканеры, жесткие диски, модемы и т.д.). Предоставление ресурсов сервера в иерархической сети производится на уровне пользователей.
Каждый пользователь должен быть зарегистрирован администратором сети под уникальным именем (логином) и пользователи должны назначить себе пароль, под которым будут входить в ПК и сеть. Кроме того, при регистрации пользователей администратор сети выделяет им необходимые ресурсы на сервере и права доступа к ним.
Компьютеры, с которых осуществляется доступ к информации на сервере, называются рабочими станциями, или клиентами. На них устанавливается автономная операционная система и клиентская часть сетевой операционной системы.
Одноранговые и иерархические локальные сети имеет свои преимущества и недостатки. Выбор типа локальной сети зависит от требований предъявляемых к ее стоимости, надежности, скорость обработки данных, секретности информации и т.д.
Файлообменные P2P сети
При клиент-серверной организации обмена данными (файлами) есть сервер, на котором хранится вся информация, клиенты подключаются к серверу и запрашивают определенные ресурсы.
В случае пиринговой (peer to peer - от равного к равному) организации обмена данными такого сервера нет. В P2P-сети пользователи скачивают информацию друг у друга, а не у выделенного сервера. Выглядит это так: пользователи сети выкладывают какие-либо файлы в «расшаренную» (англ. share, делиться) папку, т. е. папку, файлы из которой доступны для скачивания другим клиентам. Какой-нибудь другой пользователь сети посылает запрос на поиск какого-либо файла. Программа ищет у клиентов сети файлы, соответствующие запросу, и показывает результат. После этого пользователь может скачать файлы у найденных источников.
Современные файлообменные сети позволяют скачивать один файл сразу с нескольких источников (так быстрее и надёжнее). Чтобы убедиться, что этот файл у всех источников одинаковый, производится сравнение не по названию файла, а по контрольным суммам или хэшам типа MD4, TTH, SHA-1. Во время (и после) скачивания файла пользователем, этот файл у него могут скачивать и другие клиенты сети, в результате чего файлы могут в итоге быть доступными для скачивания со многих источников одновременно.
Эталонная модель OSI
Эталонная модель взаимодействия открытых систем, Open Systems Interconnection Reference Model (OSI), создавалась как единый международный стандарт сетевых технологий. Набор протоколов называется открытым, если описание и детали протоколов опубликованы.
Система, реализующая открытые протоколы называется открытой системой, несмотря на то, что код программ может быть закрыт. ISO - международная организация по стандартизации.
ISO OSI - абстрактная модель для сетевых коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Представляет уровневый подход к сети. Каждый уровень обслуживает свою часть процесса взаимодействия. Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и понятнее.
Существует 7 уровней с помощью которых происходит сетевое взаимодействие. От нижнего уровня к верхнему:
1. Физический (Physical Layer)
Передача битов данных по сети. Преобразует биты в исходящие сигналы, передает сигналы и, затем, преобразует входящие сигналы в биты. Определяет:
- характеристики сигналов;
- среды передачи;
- физическую топологию среды передачи;
- механические и физические (электрические, оптические) спецификации среды передачи;
- интерфейсы (разъемы) оборудования.
Физический уровень занимается реальной передачей необработанных битов по каналу связи. При разработке сети необходимо убедиться, что когда одна сторона передает единицу, то принимающая сторона получает также единицу, а не нуль.
Принципиальными вопросами здесь являются следующие: какое напряжение должно использоваться для отображения единицы, а какое - для нуля; сколько микросекунд длится бит; может ли передача производиться одновременно в двух направлениях; как устанавливается начальная связь и как прекращается, когда обе стороны закончили свои задачи; из какого количества проводов должен состоять кабель и какова функция каждого провода. Вопросы разработки в основном связаны с механическими, электрическими и процедурными интерфейсами и с физическим носителем, лежащим ниже физического уровня.
2. Канальный (уровень передачи данных) (Data Link Layer) Передаёт кадры (наборов битов) между двумя узлами сети, непосредственно связанными между собой.
Функции канального уровня:
- взаимодействие со средой передачи данных (протокол MAC);
- надежная доставка;
- управление потоком.
В протоколах канального уровня заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Для идентификации компьютеров на канальном уровне используются аппаратные адреса (MAC – адреса) в Ethernet. 802.Xx – номера описаний стандартов IEEE (институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике).
В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой.
Протокол MAC (Media Access Control — управление доступом к носителю) определяет правила передачи кадра в линию. Для двухточечных линий с единственным отправителем на одном конце и единственным получателем на другом конце линии протокол MAC очень прост (или вообще отсутствует) — отправитель может передать кадр в любой момент, когда линия свободна. Более интересный случай представляет конфигурация, в которой несколько узлов совместно используют один широковещательный канал. В этом случае возникает так называемая проблема коллективного доступа, и протокол MAC призван координировать передачу кадров многих узлов.
Надежная доставка. Когда протокол канального уровня предоставляет услугу по надежной доставке, он гарантирует перемещение каждой дейтаграммы сетевого уровня по линии связи без ошибок. Вспомним, что некоторые протоколы транспортного уровня (например, TCP) также обеспечивают надежную доставку. Аналогично службе надежной доставки транспортного уровня, служба надежной доставки канального уровня поддерживается с помощью механизмов подтверждений и повторных передач. Служба надежной доставки транспортного уровня часто обслуживает линии связи с высокой вероятностью ошибок, характерной, например, для беспроводных линий связи.
Таким образом, на канальном уровне ошибки исправляются локально — на той линии связи, на которой они возникают, что позволяет отказаться от повторной передачи данных протоколом транспортного или прикладного уровня. Однако в линиях с низкой вероятностью ошибок надежная доставка на канальном уровне может оказаться излишней. К таким линиям относятся волоконно-оптические и экранированные кабели, а также различные категории линий типа «витая пара», поэтому многие протоколы для кабельных линий не предоставляют услуги по надежной доставке.
Управление потоком. Узлы на каждой стороне линии связи обладают буферами для хранения кадров ограниченного размера. Это порождает потенциальную проблему, так как кадры могут поступать на получающий узел быстрее, чем этот узел способен их обрабатывать. Без управления потоком буфер получателя может переполниться, а кадры будут потеряны. Аналогично транспортному уровню протокол канального уровня может обеспечить управление потоком с целью предотвращения ситуации, когда передающий узел на одной стороне линии связи заваливает пакетами принимающий узел на другой стороне линии.
Обнаружение ошибок. Принимающий узел может неверно посчитать, что значение бита в кадре равно нулю, в то время как передавалась единица, и наоборот. Подобные битовые ошибки вызываются ослаблением сигнала и электромагнитными помехами. Поскольку нет смысла передавать дальше дейтаграмму, содержащую ошибки, многие протоколы канального уровня предоставляют услугу по обнаружению ошибок в кадре. Для этого передающий узел добавляет к кадру биты обнаружения ошибок (контрольную сумму), а получающий узел выполняет проверку контрольной суммы. Служба обнаружения ошибок очень распространена среди протоколов канального уровня. Транспортный и сетевой уровни в Интернете также предоставляют ограниченную услугу по обнаружению ошибок. На канальном уровне обнаружение ошибок сложнее и, как правило, реализуется аппаратно.
Исправление ошибок выполняет расширенная служба обнаружения ошибок. Такая служба способна не только обнаружить ошибку в кадре, но также определить, в каком именно разряде она произошла, и таким образом исправить некоторые ошибки. Услуга по исправлению ошибок предоставляется некоторыми протоколами канального уровня (например, ATM), но, как правило, не для всего пакета, а только для его заголовка.
Дуплексная и полудуплексная передача. При дуплексной передаче оба узла могут передавать друг другу пакеты одновременно. При полудуплексной передаче оба узла тоже могут передавать друг другу пакеты, но только поочередно.
3. Сетевой (Network Layer) Осуществляет управление подсетью, то есть совокупностью коммуникационного оборудования. Определяет маршруты следования данных. Соединяет разнородные сети.
Отвечает за передачу дейтаграмм между удаленными компьютерами. Функции сетевого уровня:
- адресация компьютеров во всей глобальной сети (IP-адреса);
- выбор маршрута доставки сообщений.
Не обеспечивает надежность доставки (искажения, потери, изменение порядка следования).
Протоколы: IP (Internet Protocol), ARP, RARP, ICMP, DHCP.
best-effort delivery – доставка пакетов с максимально возможной скоростью, без гарантии отсутствия задержек, потерь пакетов (при переполнении буферов на маршрутизаторах).
Сетевой уровень отвечает за передачу датаграмм между удаленными компьютерами. Важнейшим моментом здесь является определение маршрутов пересылки пакетов от источника к пункту назначения. Маршруты могут быть жестко заданы в виде таблиц и редко меняться. Кроме того, они могут задаваться в начале каждого соединения, например, терминальной сессии. Наконец, они могут быть в высокой степени динамическими, то есть вычисляемыми заново для каждого пакета с учетом текущей загруженности сети.
Если в подсети одновременно присутствует слишком большое количество пакетов, то они могут закрыть дорогу друг другу, образуя заторы в узких местах. Недопущение подобной закупорки также является задачей сетевого уровня. В более общем смысле сетевой уровень занимается предоставлением определенного уровня сервиса (это касается задержек, времени передачи, вопросов синхронизации).
При путешествии пакета из одной сети в другую также может возникнуть ряд проблем. Так, способ адресации, применяемый в одной сети, может отличаться от принятого в другой. Сеть может вообще отказаться принимать пакеты из-за того, что они слишком большого размера. Также могут различаться протоколы, и т. д. Именно сетевой уровень должен разрешать все эти проблемы, позволяя объединять разнородные сети. Для преобразования IP-адресов (адресов сетевого уровня) в MAC-адреса (адреса канального уровня) в сетях TCP/IP используется протоколы ARP (англ. Address Resolution Protocol — протокол разрешения адресов) и RARP (англ. Reverse Address Resolution Protocol — обратный протокол преобразования адресов).
Протоколы маршрутизации RIP (в локальных сетях) и BGP (в магистральный сетях) работают на прикладном уровне.